Trong bối cảnh mọi người ngày càng chú trọng đến an toàn của xe điện, các nhà nghiên cứu tại Đại học công nghệ Nanjing (Trung Quốc) vừa phát triển một loại vật liệu cách nhiệt cho pin lithium, có khả năng chịu được nhiệt độ lên đến 1.300°C.
Vật liệu này dựa trên tấm cách nhiệt silica aerogel, được thiết kế để hạn chế đáng kể sự lan truyền nhiệt giữa các cell lithium-ion trong các sự cố quá nhiệt, một dạng hỏng hóc nghiêm trọng mà ở đó nhiệt độ bên trong pin tăng đột ngột nhanh chóng.
Trong các tình huống như vậy, một cell bị lỗi có thể đạt đến nhiệt độ cực cao trong vài giây, gây ra phản ứng dây chuyền lan sang các cell liền kề, làm tăng nguy cơ cháy. Bằng cách hoạt động như “tường lửa” chịu nhiệt cao, lớp aerogel giúp ngăn chặn và làm chậm sự lan truyền này, tạo thêm thời gian quý giá cho các biện pháp xử lý sự cố.
Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu này có thể tăng cường độ bền của bộ pin mà không làm tăng thêm đáng kể trọng lượng, điều này đặc biệt phù hợp khi các nhà sản xuất ô tô đang hướng tới pin có mật độ năng lượng cao hơn và phạm vi lái xe xa hơn. Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng chịu nhiệt cao trong pin thế hệ mới đã cải thiện đáng kể.
Trong thử nghiệm có kiểm soát, một tấm aerogel dày 2,286 mm tiếp xúc với nhiệt độ 1.000°C trong 5 phút đã giữ cho bề mặt đối diện ở mức dưới 100°C, chứng tỏ khả năng cách nhiệt mạnh trong điều kiện khắc nghiệt. Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu này có thể duy trì khả năng cách nhiệt lên đến 2 giờ, khoảng thời gian rất quan trọng trong việc ngăn sự cố pin.
Các giải pháp pin dựa trên aerogel trước đây thường hoạt động ở khoảng 300°C, thấp hơn nhiều so với phạm vi 650°C đến 1.000°C thường thấy trong quá trình cháy của pin lithium-ion. Vật liệu mới này nâng mức chịu nhiệt tối đa từ khoảng 650°C lên 1.300°C, phù hợp hơn với điều kiện hỏng hóc thực tế, cải thiện đáng kể khả năng làm chậm hoặc ngăn sự cố quá nhiệt.
Cốt lõi của hiệu suất vật liệu nằm ở cấu trúc nano xốp, siêu nhẹ, chứa khoảng 99% không khí, giúp hạn chế dẫn nhiệt. Dựa trên nền tảng này, nhóm nghiên cứu tăng cường khả năng chịu nhiệt bằng cách củng cố mạng lưới bên trong và tinh chỉnh các điều kiện xúc tác trong quá trình tổng hợp, tạo ra loại aerogel bền chắc, chịu nhiệt tốt hơn.
Để khắc phục độ giòn thường thấy ở aerogel, vật liệu này được thiết kế để có độ cơ học linh hoạt, đạt độ nén đàn hồi hơn 90% trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn cấu trúc. Điều này rất quan trọng trong các hệ thống pin, nơi các cell trải qua quá trình co giãn liên tục trong chu kỳ sạc-xả, đòi hỏi lớp cách điện có thể thích ứng mà không bị nứt hoặc xuống cấp theo thời gian.
Với các cải tiến trong quy trình sản xuất, vật liệu đã phát triển từ giai đoạn thử nghiệm đến giai đoạn sẵn sàng sản xuất ở quy mô công nghiệp. Khả năng sản xuất ổn định ở quy mô lớn giúp công nghệ cách nhiệt này trở thành giải pháp khả thi để tích hợp vào các hệ thống pin thương mại, đặc biệt khi nhu cầu về các giải pháp lưu trữ năng lượng mật độ cao, an toàn hơn ngày càng tăng.
